JP2509368B2 - 作業アタッチメントの姿勢角制御装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 A.産業上の利用分野 本発明は、作業機に回転可能に装着された作業アタッ
チメントの姿勢角を一定に制御するのに好適な制御装置
に関する。

B.従来の技術 第５図（ａ）は従来から知られている多関節基礎用作
業機（以下、作業機）の一例を示す。この作業機は、下
部走行体LT上に上部旋回体USを旋回可能に設けて成り、
上部旋回体US上に第１アーム１、第２アーム２、第３ア
ーム３およびこれらを駆動する第１シリンダ５、第２シ
リンダ６、第３シリンダ７を有し、第３アーム３の先端
に回転掘削バケット４を装着し、第４シリンダ８でその
姿勢角を第５図（ａ）、（ｂ）、（ｃ）のように制御す
る。

このような作業機による掘削では、回転掘削バケット
の姿勢角を一定に保つ必要がある。特に回転掘削バケッ
トでは、姿勢角誤差が大きいと掘削した孔をくずした
り、配管等の埋設物を損傷したり、掘削抵抗が増大して
バケットの回転が停止したりするので、高精度な姿勢角
制御が要求される。

ところで、ショベル本体と、ブームと、アームと、ア
ーム先端に取付けられたバケットとを有する油圧式パワ
ーショベルにおいては、バケットの姿勢角を一定に保つ
制御装置が種々知られている。

例えば、特公昭61−45025号公報（第１の従来技術と
する）においては、バケットの姿勢を保持するため、ブ
ーム回転速度とアーム回動速度の和の符号を反転した値
をバケット回動速度として求め、これによりバケットシ
リンダの流量制御を行っている。

また、建設荷役車両第59号（1989、１月号：第２の従
来技術とする）には、バケットの姿勢角を設定し、これ
とバケットの実際角との偏差を求め、これによりバケッ
トシリンダの制御を行う例が示されている。

C.発明が解決しようとする課題 しかしながら上記第１の従来技術においては、バケッ
トシリンダの流量制御値に対する実際の流量出力値に誤
差があると、姿勢角に誤差を生じ、しかも第７図（ｂ）
に示すように、誤差は累積されてゆくという欠点があ
る。さらに、バケット回動速度を求めるためのブームお
よびアーム回動速度が非常に低速になる場合には、実際
の回動速度を表す角度センサ出力の微分値を用いること
ができないため、速度指令値から求めた流量制御値を用
いるので、ブームおよびアームシリンダの流量制御値に
対する実際の流量出力値の誤差も姿勢角の誤差に加算さ
れることになる。

また、上記第２の従来技術においては、姿勢角偏差を
フィードバックにより補正しているので、フィードフォ
ーワード制御を加味しているものの第７図（ｃ）に示す
ように、応答遅れにより制御起動時に大きな誤差が生じ
るという問題がある。さらに、バケット回動速度はブー
ムおよびアームの回動速度とは無関係に姿勢角偏差のみ
で決められるため、高速時の追従性が悪く、やはり大き
な姿勢角誤差を生じる。また、ハンチングを生じないよ
うフィードバックを行うためには第６図（ｂ）に示すよ
うに偏差ゼロ近傍に不感帯を設ける必要があり、その
分、姿勢角に誤差が生じるという問題もある。

そこで、第１と第２の従来技術を組合せることも考え
られるが、この場合、第７図（ｄ）に示すように累積誤
差や制御起動時の姿勢角誤差は多少改善されるものの、
高速時の追従性不足および、不感帯による姿勢角誤差は
改善されないという問題がある。

すなわち第６図（ｃ）に示すように、ある姿勢で演算
された制御値Ａに対して、流量出力の誤差により実際に
はＡより少ないＢが出力された場合、正の偏差が増大し
偏差フィードバックによる制御量が加えられて、Ａと同
じ制御量であるＣ点に達する。このとき回動速度は満足
していても偏差Δδ１は残ったままとなる。この偏差は
偏差フィードバック量が制御値Ａとは無関係なため、Ａ
が大きくなるほど偏差Δδ１も大きくなってしまう。

本発明の目的は、高速時にも追従性が良く、また不感
帯による姿勢角誤差の無い作業アタッチメントの姿勢角
制御装置を提供することにある。

D.課題を解決するための手段 クレーム対応図である第１図により説明すると本発明
は、基台801に回転可能に取り付けられた駆動体802に装
着され姿勢角をアクチュエータ803により制御される作
業アタッチメント804の姿勢角制御装置に適用される。

そして上述の目的は、作業アタッチメント804の姿勢
角を検出する姿勢角検出手段805と、姿勢角検出手段805
で検出された作業アタッチメント804の姿勢角とその目
標値との偏差を演算する偏差演算手段806と、駆動体802
の回転に拘らず姿勢角を目標値に維持するために必要な
作業アタッチメントの回転速度を演算し、該作業アタッ
チメントの回転方向を演算し、該作業アタッチメントの
回転方向を正負符号として演算出力する回転速度演算手
段807と、姿勢角偏差と、作業アタッチメントの回転速
度の正負符号とに基づいて、前記演算された作業アタッ
チメントの回転速度を補正する速度補正手段と、補正さ
れた回転速度で作業アタッチメント804が回転するよう
にアクチュエータ803を駆動する駆動制御手段809とを具
備することによって達成される。

E.作用 偏差演算手段806は、姿勢角検出手段805によって検出
された作業アタッチメント804の姿勢角とその目標値の
偏差を演算する。回転速度演算手段807は、駆動体802が
回転する時に、作業アタッチメント804の姿勢角を一定
にとするような作業アタッチメント回転速度を演算し、
その正負符号を含めて出力する。速度補正手段808は、
偏差演算手段806により演算された姿勢角偏差と、回転
速度演算手段により演算された作業アタッチメントの回
転速度の正負符号とに基づいて、姿勢角偏差がゼロにな
るように作業アタッチメントの回転速度を補正する。例
えば、姿勢角偏差が回動速度の方向に対して進んでいる
場合は回動速度を減少させ、遅れている場合は回動速度
を増加させるように補正する。この補正された回動速度
は駆動制御手段809に入力され作業アタッチメント804の
姿勢角を目標姿勢角と一致させるようアクチュエータ80
3を駆動制御する。

F.実施例 第２図は、本発明を第５図（ａ）に示す回転掘削バケ
ットを有する作業機に適用した実施例の制御装置の構成
を示す。なお本明細書においては、第４図のように各部
の座標を定義する。第４図において、点０を第１アーム
１の回動支点とし、第１アーム１の対地角度をα，第２
アーム２の第１アーム１に対する相対角度をT2,第３ア
ーム３の第２アーム２に対する相対角度をT3,バケット
４の第３アーム３に対する相対角度をT4とする。したが
って、バケット４の対地姿勢角δは、 δ＝α−T2−T3−T4 （１） となる。

第２図において、角度検出器101は第１アーム１の回
動支点付近に取付けられ、周知の振り子機構とポテンシ
ョメータにより第１アーム１の対地角αを検出し、角度
検出器102,103,104はそれぞれ第２アーム2,第３アーム
3,バケット４の回動支点に取付けられ、周知のレバー機
構とポテンショメータにより、第１アーム１と第２アー
ム２の相対角T2,第２アーム２と第３アーム３との相対
角T3、第３アーム３とバケット４との相対角T4を検出す
る。

201〜203はそれぞれ加算点であり、（１）式に示した
バケットの姿勢角δはこれらの加算点201〜203で演算さ
れる。

301は目標となるバケット姿勢角δ０を保持する記憶
器で、実施例では制御開始時のバケット姿勢角を記憶保
持する。302は加算点で、目標となるバケット姿勢角δ
０と実際のバケット姿勢角δとの偏差Δδを（２）式の
ように演算する。

Δδ＝δ−δ０ （２） アーム回動速度演算回路400は、実施例では図示しな
い軌跡制御装置の一部であり、バケット取り付け点の軌
跡を制御すべく演算された各アームの回動速度αv,Tv2,
Tv3を出力する。

例えば、第１アーム１を固定して、第2,第３アーム2,
3で軌跡制御する場合の各アームの回動速度は次の式で
演算することができる。

ここで、 Xv,Yv:第３アーム３先端のX,Y方向の速度指令値 L2,L3:第2,3アーム2,3のアーム長 バケット姿勢角を一定に保つためには、（１）式の両
辺を時間微分して次の（４）式で求めたバケット回動速
度Tv4に制御する。

δｖ＝αｖ−Tv2−Tv3−Tv4＝０ ∴Tv4＝αｖ−Tv2−Tv3 （４） ただし：δｖはバケット４の回動速度 501、502は加算点であり、（４）式のTv4を算出す
る。

姿勢角偏差Δδ及びバケット回動速度Tv4は後述する
バケット回動速度補正回路600へ入力され、バケット回
動速度Tv4は、偏差Δδに基づいて補正され回動速度Tv4
kとして出力される。

701は関数発生器であり、バケット角T4が入力され、
このバケット角T4を、リンク補正するための係数に変換
する。

702は乗算器であり、変換された係数と補正後のバケ
ット回動速度Tv4kとを乗算して、バケットシリンダ速度
を算出する。703は係数器であり、この703はシリンダ速
度にバケットシリンダ８の受圧面積を乗算してバケット
シリンダ流量制御値Q4を演算する。

すなわち、 Ｑ＝a4・ｆ（T4）・Tv4k （５） なお、シリンダ面積a4は実際にはロッド側とボア側で
は異なるので、伸縮に応じて適宜切り換えて用いる。

第３図はバケット回動速度補正回路600の詳細を示
す。601は絶対値変換器,602は符号反転器であり、入力
された姿勢角偏差Δδをそれぞれ｜Δδ｜および−｜Δ
δ｜に変換する。603、604は、それぞれ姿勢角偏差Δδ
とバケット回動速度Tv4の符号を判定する符号器、605
は、符号器603,604の判定結果を比較する排他的論理和
回路である。606は｜Δδ｜および−｜Δδ｜のいずれ
か一方を選択する切換器であり、符号器603および604で
判定された符号が不一致のとき排他的論理和回路605か
らの切換信号で切換器606の接点がｂ側に切換わり、ま
たは、符号が一致したときは切換器606の接点がａ側に
切換わり、それぞれ−｜Δδ|,|Δδ｜を関数発生器607
へ入力する。

この関数発生器607は入力が正のときは減少、また負
のときは増加させるような係数ｋを出力する。なお、入
力が０のとき、すなわち偏差Δδ＝のときは係数ｋ＝１
が出力される。608は乗算器であり、係数ｋとバケット
回動速度Tv4を乗算して、次式（５）により補正後のバ
ケット回動速度Tv4kを出力する。

Tv4k＝ｋ・Tv4 （６） 次に本装置の動作について説明する。

図示しない電源スイッチを投入すると、角度検出器10
1〜104で検出された角度α,T2,T3,T4に基いて加算点201
〜203でバケットの姿勢角δが演算される。アームの制
御が開始されると、その開始時のバケット姿勢角δ０が
記憶器301に保持され、以後、姿勢角偏差Δδが加算点3
02で演算される。

一方、アーム回動速度演算回路400で演算された各ア
ームの回動速度αv,Tv2,Tv3に基いて加算点501,502は、
バケット姿勢角を一定に保つバケット回動速度Tv4を演
算する。

バケット回動速度補正回路600では、入力されたバケ
ット姿勢角偏差Δδとバケット回動速度Tv4の符号を比
較し、符号が一致したときは切換器606が−｜Δδ｜を
選択し、不一致のときは切換器606が｜Δδ｜をそれぞ
れ選択して関数発生器607へ入力する。関数発生器607は
入力が正のときは１から徐々に減少する値を、入力が負
のときは１から徐々に増加する値を補正値として出力す
る。そして乗算器608により、バケット回動速度Tv4と補
正値ｋが乗算されて補正後のバケット回動速度Tv4kが出
力される。

ここで、姿勢角偏差Δδとバケット回動速度Tv4の符
号の関係をまとめてみると、 １）Tv4＞０でΔδ＞０のとき バケットシリンダ伸び方向で偏差修正も伸び方向（バ
ケットの回動が遅れている） ２）Tv4＜０でΔδ＜０のとき バケットシリンダ縮み方向で偏差修正も縮み方向（バ
ケットの回動が遅れている。） ３）Tv4＞０でΔδ＜０のとき バケットシリンダ伸び方向で偏差修正は縮み方向（バ
ケットの回動が進んでいる） ４）Tv4＜０でΔδ＞０のとき バケットシリンダ縮み方向で偏差修正は伸び方向（バ
ケットの回動が進んでいる） となる。すなわち符号が一致している１）,2）では回動
速度Tv4を増加させることによって姿勢角偏差を減少さ
せ、符号が一致していない３）,4）ではバケット回動速
度Tv4を減少させる。

そして補正後のバケット回動速度Tv4kは、乗算器702
で関数発生器701の出力と掛け合わされ、さらに係数器7
03によってバケットシリンダ８の流量制御値Q4に変換さ
れ、この流量制御値Q4が電気油圧変換弁９に入力され
る。

電気油圧変換弁９には油圧源から油が導かれており、
入力される流量制御値Q4に応じた流量および方向で油を
バケットシリンダ８に供給し、バケットの姿勢角一定制
御が行われる。

すなわち、第６図（ａ）に示すように、ある姿勢で演
算された制御値Ａに対して、流量出力の誤差により実際
にはＡより少ないＢが出力された場合、正の誤差が増大
してゆく。このときTv4＞0,Δδ＞０の関係となり、
「遅れ」方向の補正が行われ、制御量が増加して、Ａと
同じ制御量であるＣ点に達する。このときの偏差Δδ２
は不感帯を持つ偏差フィードバック方式に比べ（第６図
（ｃ）の偏差Δδ１）十分に小さくすることができる。
この様子を第７図（ａ）に示す。この第７図（ａ）から
わかるように、従来の３方式を示す第７図（ｂ）〜
（ｄ）に比べて偏差Δδは少ない。

したがって、以上の実施例によれば、 １）作業アタッチメントの回動速度は、アームやブーム
の回転速度と常に比例関係を保ちながら、しかも姿勢角
偏差を０にするよう制御されるので、高速時でも追従性
良く姿勢角を一定に保つことができる。

２）姿勢角偏差フィードバックを、作業アタッチメント
回動速度の補正係数として与えているので、偏差０付近
に不感帯を設ける必要がなく、姿勢角精度が向上し、ま
た制御も滑らかなものとなる。

なお、図では省略されているが、バケット４の手動制
御用に、操作レバーとコントロールバルブが設置されて
おり、コントロールバルブからの圧油と電気油圧変換弁
９からの圧油は合流されるようになっている。また、各
アーム駆動用の制御装置および操作レバーも同様に設置
されている。

以上の実施例の構成において、下部走行体LSが基台80
1を、第１のアーム１〜第３のアーム３が駆動体802を、
油圧シリンダ８が803を、回転掘削バケット４が作業ア
タッチメント804を、角度検出器101〜104と加算点201〜
203が姿勢角検出手段805を、加算点302が偏差演算手段8
06を、回転速度演算回路400と加算点501および502が作
業アタッチメント４の回転速度演算手段807を、バケッ
ト回動速度補正回路600が速度補正手段808を、乗算器70
2,係数器703,電気油圧変換弁９が駆動制御手段809をそ
れぞれ構成する。

なお、本発明を適用するにあたっては以上の実施例の
各構成要素を次のようにしてもよい。

イ）アームは３本に限定されない。

ロ）アーム回動速度演算回路400を軌跡制御装置の一部
としたが、他の制御装置、例えば手動制御装置としても
良い。すなわち、手動操作レバーにより第１アーム１〜
第３アーム３の速度指令値を出力するものでもよい。

ハ）アーム回動速度を演算値としたが、角度検出器101
〜103からの出力を微分して用いても良い。

ニ）関数発生器607の偏差０に対する係数ｋを１とした
が、他の数値をとることもできる。

ホ）係数ｋを関数発生器607により求めたが、演算器そ
の他の手段によって演算して求めても良い。

ヘ）バケットを油圧シリンダで駆動したが、油圧に限定
されず、また油圧モータ，油圧ロータリアクチュエータ
などその他のアクチュエータを用いることができる。

ト）回転掘削バケットに適用するだけでなく、その他の
各種作業アタッチメントにも使用できる。

チ）第１アーム１の角度を上部旋回体に対する相対角で
検出し、作業機本体の傾斜角を検出して相対角を補正し
ても良い。

リ）角度検出器として、磁気抵抗素子を用いたもの、差
動コイルを用いたもの、光学式、磁気式のロータリエン
コーダを用いたものなどポテンショメータに限定されな
い。

ヌ）第８図に示すように、姿勢角偏差Δδに応じた作業
アタッチメント回動速度Tv4dを関数発生器650により出
力し、加算点651で加えるように構成するようにしても
良い。この場合、Tv4が非常に低速になったときの姿勢
角誤差の改善が図れ、また、制御量に対して偏差が大き
く進みすぎたとき、第３図ではTv4k＝０となるのに対
し、第８図では、制御量と逆符号のTv4kにより制御され
るので、修正が早く行われるという利点がある。

ル）アームを旋回体に置き換えることにより、旋回体の
旋回角に応じて作業アタッチメントの方向を制御するよ
うな用途にも適用できる。

G.発明の効果 本発明によれば、駆動体の回転に拘らず作業アタッチ
メントの姿勢角が目標値に維持されるように作業アタッ
チメントの回転速度を求め、検出された姿勢角の目標値
に対する偏差と、求められた回転速度の方向とに基づい
てその回転速度を補正し、この補正後の回転速度で作業
アタッチメントの回転速度を制御するようにしたので、
高速時でも追従性良く姿勢角を一定に保つことができ
る。

【図面の簡単な説明】

第１図はクレーム対応図である。 第２図は実施例の全体構成図である。 第３図はその作業アタッチメント回動速度補正回路のブ
ロック図である。 第４図は作業アタッチメントなどの座標を定義する図で
ある。 第５図（ａ）は回転掘削バケットを装着した作業機の側
面図である。 第５図（ｂ），（ｃ）は作業アタッチメントの動きを説
明する側面図である。 第６図（ａ）は本発明の偏差と制御量の関係を示す図で
ある。 第６図（ｂ）は従来の偏差フィードバックにおける不感
帯域を説明する図である。 第６図（ｃ）は従来の偏差と制御量の関係を示す図であ
る。 第７図（ａ）〜第７図（ｄ）は姿勢角誤差の時間変化を
示すグラフである。 第８図は変形実施例のブロック図である。 １〜3:アーム、4:回転掘削バケット ５〜8:油圧シリンダ、9:電気油圧変換弁 101〜104:角度検出器、201〜203:加算点 301:記憶器、302:加算点 400:アーム回動速度演算回路 501,502:加算点 600:作業アタッチメント回動速度補正回路 601:絶対値変換器、602:符号反転器 603,604:符号器、605:排他的論理和回路 606:切換器、607:関数発生器 608:乗算器、701:関数発生器 702:乗算器、703:係数器

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】基台に回転可能に取り付けられた駆動体に
   装着され姿勢角をアクチュエータにより制御される作業
   アタッチメントの姿勢角制御装置において、 前記作業アタッチメントの姿勢角を検出する姿勢角検出
   手段と、 前記姿勢角検出手段で検出された前記作業アタッチメン
   トの姿勢角とその目標値との偏差を演算する偏差演算手
   段と、 前記駆動体の回転に拘らず前記姿勢角を前記目標値に維
   持するために必要な前記作業アタッチメントの回転速度
   を演算し、該作業アタッチメントの回転方向を正負符号
   として演算出力する回転速度演算手段と、 前記姿勢角偏差と、前記作業アタッチメントの回転速度
   の正負符号とに基づいて、前記演算された作業アタッチ
   メントの回転速度を補正する速度補正手段と、 補正された回転速度で前記作業アタッチメントが回転す
   るように前記アクチュエータを駆動制御する駆動制御手
   段とを具備することを特徴とする作業アタッチメントの
   姿勢角制御装置。